CN1731763A - Ad Hoc网络中基于信息熵的分布式Qos多播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad Hoc网络中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，该方法的具体步骤如下：第一步骤：确定QoS约束多播路由方法的网络模型；第二步骤：确定网络状态信息；第三步骤：确定信息熵的度量；第四步骤：确定回路检测方法；第五步骤：空间复杂性和时间复杂性分析。本发明是基于信息熵的空间复杂度和时间复杂度以及分布式地进行路由选择等特征，使其路径具有较好的可扩展性、稳定性、长寿命性的多播树，可以应用于较大规模的Ad Hoc网络中。有助于提高无线移动Ad Hoc网络的传输效率，降低网络成本，对我国军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议等领域将起重要的作用。

Description

Ad Hoc网络中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法

                       技术领域

本发明属于一种移动网络通信中的多媒体应用方法，特别是一种基于移动网络的最稳定性、长寿命性路径的Ad Hoc(自主、自组)网络中基于信息熵的分布式QoS(Quality of Service，服务质量)多播路由方法。

                       背景技术

近年来，随着Internet、移动网络的飞速发展和移动计算的大量涌现，推动了移动计算机无线接入的研究，特别是无线移动Ad Hoc网络(MANET)在支持移动性方面的研究，已成为网络领域中的一类重要课题。移动Ad Hoc网络是一种自治的无线多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都可以以任意拓扑结构动态地保持与其他节点的联系，节点还能发现、保持到网络其他节点的路由。使得无线移动Ad Hoc网络可以广泛应用于军事领域、自然灾害、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议、紧急通信等等领域。

在Ad Hoc网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。如何迅速准确地选择到达目的节点的路由，是AdHoc网络的一个重要和核心的问题。在Ad Hoc网络中，由于节点的移动以及无线信道的衰耗、干扰等原因造成了网络拓扑结构的频繁变化，同时考虑到单向信道问题以及无线传输信道较窄等原因，在Ad Hoc网络中，其路由问题比固定网络要复杂得多。

目前的路由选择主要有两种方法：集中式和分布式，集中式：集中式路由选择方法假定存在一个全局网络管理器来维护所有已建立信道和网络拓扑的信息，因此能够对每个实时信道请求一条合适的路由。虽然这种方法可以比分布式方法更能有效地选择符合要求的路由，但是由于很难得到完整的网络状态信息以及集中控制的本质，导致在性能和可行性方面比较差；分布式：相对于集中式方法来说，分布式路由方法具有更好的性能、可扩展性和可靠性。由于在源和目的之间可能存在的路由数目很多，对于实时信道来说，选择一条合格的路由并不容易。任何路由方法的目标都是利用最小的开销找到合格的路径。

自20世纪70年代美军DARPA资助研究的分组无线网络项目展开以来，国内外许多学者从不同的角度提出了一系列的Ad Hoc网络路由协议。在移动Ad Hoc网络路由方法研究方面，鉴于路由协议的重要性，IETF的MANET(Mobile Ad Hoc Networks)工作组目前专注于Ad Hoc网络路由协议的研究。这些协议能够较好地满足Ad Hoc网络的典型环境，包括能量消损、低带宽、高误码率等。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将这些路由协议分为表驱动路由协议(FSR、WRP、DSDV、OLSR、TBRPF、STARA等)和按需路由协议(AODV、DSR、TORA、ABR、SSR等)；根据网络拓扑结构的差异，又可以将它们分为平面结构的路由协议和分簇路由协议(CBRP、HSRCGSR、ZRP、ZHLS、LANMAR、CEDAR等)；根据是否使用GPS系统作为路由辅助条件的角度出发，可分为地理定位辅助路由(LAR、RDMAR、GeoCast、DREAM、GPSR等)和无地理定位辅助路由。这些协议不管什么时候检测到链路状态发生了变化，路由信息将触发其他的移动主机重新计算自己的路由表并且把相关的路由信息进一步传播出去，显然，每一次要传播的路由信息都正比于Ad Hoc网络规模的大小，这些协议基本上不具有QoS保障。由于Ad Hoc网络依赖与广播和移动的特性使得在Ad Hoc网络中提供QoS变得非常困难。首先，无线链路和有线链路不一样，它的带宽受到它紧邻链路的传输活动的影响；其次，在蜂窝网络中只需要保证一跳的服务质量就可以了，而Ad Hoc网络必须保证一条路径上所有跳数的服务质量；再次，移动主机可以随机随地加入、离开或者重新加入网络，随着主机的移动已存在的链路可能断开或者又形成了新的链路。

网络所能提供的QoS能力将直接影响到它所支持和满足的业务。随着各类多媒体业务和实时业务的普及和推广，要求网络在带宽、时延、移动速度等方面提供保证，Ad Hoc网络的QoS问题已成为当前研究的一个新热点。在Ad Hoc网络中，业务的QoS保障机制主要包括这几个问题：QoS模型、QoS资源预留信令、QoS路由、MAC层的QoS支持。QoS路由技术主要由两个部分组成：一是为到达业务选择路径并发送数据包的过程，即寻路过程，另一是节点间路由信息的交互过程。在寻路过程中涉及两个方面的问题：一是依据哪些约束参数作为寻路标准，另一是在寻路标准设定后，如何找到满足业务需求的路径，并保证数据经由选定路径传输到目的节点。在目前的移动Ad Hoc网络研究中，大多数路由协议重点放在如何在动态环境中提供最短路径路由、高可用度路由以及最稳定路由等。

多播(Multicast)业务是支持多方通信的高效业务模式，其基本特点是发送节点的数据不是通过向逐个接收节点发送来传送到多方，而是发送节点只向网络发送数据的一份实例，经由网络节点复制并发送到多个接收节点。多播在传输多方通信的数据时，不仅减轻了发送源系统的处理负荷，也降低了网络带宽的使用，尤其是在通信带宽极其受限的移动Ad Hoc网络中，采用多播机制对实现多方通信是非常有必要的。实现多播业务的关键技术和机制是多播路由机制、多播传输机制、多播安全机制等，这些方面的问题是当前移动Ad Hoc网络多播研究中最迫切、最重要的问题。但是Ad Hoc网络本身的网络特征决定了Ad Hoc网络的多播路由协议必须具有更好的可靠性和数据传送性能。

目前多播路由协议主要有下面这些难点：1)最小化网络负载；2)为可靠传输提供基本支持；3)提供多播路由时考虑不同的代价参数；4)路由器中保存的状态数量尽可能少；5)尽可能降低路由器的处理负担；6)尽可能地提供稳定或长寿命的路径(多播树)。

                       发明内容

本发明的目的是在现有QoS路由方法的性能度量标准、多播路由方法以及分布式路由选择方法相结合的基础上，并对现有的方法进行完善而提供的一种Ad Hoc网络中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，建立一棵具有较好稳定性、长寿命性的多播树，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明的具体步骤如下：

第一步骤：确定Ad Hoc网络QoS约束多播路由方法的网络模型

网络由交换节点和链路以及主机组成，本发明将其抽象为有权图G(V，E)，其中V称为图G的顶点集或节点集。在G中，元素e∈E具有一组有序数列(w₁，w₂，...，w_k)作为e的属性，或称为弧e的权。这些属性可以是可用带宽、节点的移动速度、链路传输延迟、分组丢失率、抖动、网络代价等不同的网络特征值度量。

由于网络的动态和分布等特性，为了支持更大范围的QoS需求，路由方法需要一个更复杂的模型，该模型将采用多个特征值(如移动信息熵、带宽、延迟、包丢失率等)来描述。

第二步骤：确定Ad Hoc网络的状态信息

网络状态信息是指与Ad Hoc网络当前的状态有关的各种信息，是分布式路由方法的基础。因此在搜索可行路径时，分布式路由方法所依赖的网络状态信息的新旧程度和详细程度密切相关。

第三步骤：确定Ad Hoc网络移动节点的信息熵度量方法

移动节点的信息熵是网络路径稳定性、长寿命性的重要度量参数，减少路径的重构或路径的修复次数，提高Ad Hoc网络传输能力和提供QoS保证；

在本发明中，其主要内容包括两个方面：(1)测量、收集并维护网络状态信息；(2)根据维护的网络状态信息计算移动节点的信息熵；(3)根据信息熵确定稳定性、长寿命性的并提供QoS保证的可行路径(多播树)。每个节点收集和维护，大大减少控制信息的开销。

第四步骤：确定回路检测方法

在本发明中，由于各个节点依靠本地维护的全局信息独立计算可行路径，因此由于信息不一致可能造成回路，该方法采用较好的回路检测方法检测回路的产生，从而所有被搜索的可行路径是无环的。

第五步骤：降低计算复杂性

在本发明中，每个节点并不知道完整的可行路径，只知道可行路径中的下一跳节点，分布式路由将计算分散在各个中间节点，对路由要求的计算量小，响应快，减少了计算复杂程度；由于节点不需要保存全局信息，只要求节点具有本地状态，因而具有较好的可扩展性，该方法还可有效地减少生成多播树的开销，提高网络的传输能力。

本发明由于其信息熵的空间复杂度和时间复杂度以及分布式地进行路由选择等特征，使其具有可扩展性、稳定性、长寿命性，可以应用于较大规模的Ad Hoc网络中。有助于提高无线移动Ad Hoc网络的传输效率，降低网络成本。将有利于我国无线移动Ad Hoc网络的应用和发展，对我国军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议等等领域将取得重要的作用。

                       具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明的具体步骤如下：

第一步骤：确定移动Ad Hoc网络QoS约束多播路由方法的网络模型：

在G(N，E)中，考虑一个源节点到多个目的节点的QoS约束多播路由问题，即给定一个非空集M＝{s，u₁，u₂，...，u_m}，其中，MN，s是源节点，U＝{u₁，u₂，...，u_m}为目的节点集。多播树T＝(N_T，E_T)，其中N_TN，E_TE，若用C(T)表示T的开销，P_T(s，u)表示T中从源节点s到目的节点u∈U的路径，用D_T(s，u)和B_T(s，u)分别表示P_T(s，u)的延时和可用带宽。

假定多播树最小带宽约束为B，最大时延约束为D，节点的移动最大速度为V，节点的最小电源剩余量为W，给定一个多播请求R，则Ad Hoc网络QoS约束多播路由问题就是寻找一棵多播树T满足：

(1)带宽约束：B_T(s，u)≥B，u∈U.

(2)时延约束：D_T(s，u)≤D，u∈U.

(3)节点的移动速度约束：V_i≤V，i∈N.

(4)节点的电源剩余量约束：W_i≥W，i∈N.

假定S(R)为满足上述条件的多播树的集合，则我们要寻找的多播树T为

C(T)＝min(C(T_s)，T_s∈S(R)).

在G(N，E)中，对于(i，j)∈E，P(i，j)为从节点i到节点j的链路，若P(i，j)满足：

P(i，j)＝(B(i，j)≥B)∧(D(i，j)≤D)∧(V_i≤V)∧(W_i≥W)则称此P(i，j)为可行路径。

第二步骤：确定移动AdHoc网络中节点移动速度的信息熵的度量方法：

在Ad Hoc网络中，多播路径的稳定或者长寿命，将大大地减少路径的重构或路径的修复次数。Ad Hoc网络中节点的移动信息主要有：各个移动节点的位置、各个移动节点的速度和各个移动节点的发射距离。为此需要构造移动节点的信息熵函数，以此熵的意义和信息熵函数来表征路径的稳定性或者路径的长寿命性。

                v(m，n，t＝v(m，t)-v(n，t)

                p(m，n，t)＝p(m，t)-p(n，t)

$a_{m,n}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|p(m,n,t_i)+v(m,n,t_i)\×{\mathrm{\Δ}}_{t_i}|-\left|p(m,n,t_{i+1})\right|}{R}$

$H_m(t,{\mathrm{\Δ}}_t)=\frac{-\underset{k\∈F_m}{\mathrm{\Σ}}{P}_k(t,{\mathrm{\Δ}}_t)\log P_k(t,{\mathrm{\Δ}}_t)}{\log C\left(F_m\right)},$ $P_k(t,{\mathrm{\Δ}}_t)=(a_{m,k}/\underset{t\∈F_m}{\mathrm{\Σ}}{a}_{m,i}).$

第三步骤：确定移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的度量参数：

衡量QoS的指标很多，包括带宽、时延、时延抖动、分组丢失率、节点的移动速度、范围及能量等等。寻找一条满足多个约束条件的QoS路径通常是NP完全问题，所以实现多维QoS指标的方法一般是不可取的。为了满足Ad Hoc网络QoS需求，本方法采用带宽、时延、节点的移动速度及信息熵作为度量参数。而应根据实际情况来选择某两个或三个合适的指标，而且这几个指标要能反映无线信道的质量和链路状态的变化，并且获取这几个指标的代价相对较低。QoS多播路由方法的度量参数的研究是Ad Hoc网络QoS多播路由方法的关键，度量参数的确定能提高网络的性能及减少控制信息带来的附加开销。

第四步骤：确定移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的回路检测方法：

由于Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的路径搜寻需要发送探测帧，而探测帧容易产生回路，所以回路检测方法是非常重要的，本发明采用在探测帧中增加选项的方法解决探测帧的回路产生。

第五步骤：分析移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的计算复杂性：

任何算法重要的理论研究是计算的复杂性分析，本方法最坏情况下的时间复杂度是O(2|V|)，最坏情况下的消息复杂度是O(|E|+|V|)，其中|V|是AdHoc网络的节点数，|E|是其链路数。主要对本发明的复杂性进行理论分析研究，从中研究出复杂程度最低的算法。

第六步骤：移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的仿真实验：

由于实际的原因不可能建立一个实验移动Ad Hoc网络，所以国内外的一些学者及著名研究机构都采用计算机仿真方法来进行仿真实验。本发明采用IETF推荐采用的NS2作为多播路由协议仿真的公共平台，对设计的无线移动Ad Hoc网络QoS多播路由协议或算法进行仿真实验和性能评价。

第七步骤：移动Ad Hoc网络分布式QoS约束多播路由方法的实现编码：

编码是实现方法的重要保证，本发明采用TK/TCL和C相结合，编写实现方法的编码。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1、一种基于移动AdHoc网络的分布式QoS多播路由方法，该方法的具体步骤如下：

第一步骤：确定Ad Hoc网络的QoS约束多播路由方法的网络模型

网络由交换节点和链路以及主机组成，该方法将其抽象为有权图G(V，E)，其中V称为图G的顶点集或节点集，在G中，元素e∈E具有一组有序数列(W₁，W₂，...，w_k)作为e的属性，或称为弧e的权，这些属性是用带宽、信息熵、链路传输延迟、分组丢失率、抖动、网络代价不同的网络特征值度量；

第二步骤：确定Ad Hoc网络的状态信息

Ad Hoc网络的状态信息是指与网络当前的状态有关的各种信息，是分布式路由方法的基础；

第三步骤：确定网络移动节点的信息熵度量参数

移动节点的信息熵是Ad Hoc网络路径稳定性、长寿命性的重要度量参数，减少路径的重构或路径的修复次数，提高Ad Hoc网络传输能力和提供QoS的保证；

第四步骤：确定回路检测方法

在该方法中，由于各个节点依靠本地维护的全局信息独立计算可行路径，因此由于信息不一致可能造成回路，该方法所有被搜索的可行路径是无环的；

第五步骤：降低Ad Hoc网络的空间计算复杂性和时间计算复杂性

在该方法中，由于每个节点都是移动的，每个节点并不知道完整的可行路径，只知道可行路径中的下一跳节点，分布式路由将计算分散在各个中间节点，对路由要求的计算量小，响应快，减少了计算复杂程度。

2、如权利要求1所述的Ad Hoc网络中基于信息熵的分布式QoS多播路由方法，其特征在于：在该方法的第二、三步骤中，其主要内容包括测量、收集并维护网络状态信息；根据维护的网络状态信息计算移动节点的信息熵；根据信息熵确定稳定性、长寿命性的并提供QoS保证的可行路径。